Entwicklung von maßgeschneiderten multifunktionalen Kohlenstofffasern mit skalenübergreifenden interkonnektierenden Porensystemen für die Speicherung von Energie mit hoher Dichte

Vor dem Hintergrund globaler Megatrends, wie der Verknappung von natürlichen Ressourcen bei einer gleichzeitig zunehmend individualisierten Lebensweise, stellen Energiespeicherung und Leichtbau wesentliche Schlüsseltechnologien unter anderem im Bereich innovativer Mobilitätskonzepte dar. Eine besondere Bedeutung bei der Entwicklung neuer Hightech-Produkte spielt der nachhaltige Einsatz von neuartigen anforderungsgerechten Werkstoffen mit hoher Funktionsdichte.

Kohlenstofffasern bieten mit ihrer großen inneren Oberfläche, die bisher nicht zugänglich ist, ein enormes Potenzial für Energiespeichersysteme. Dies wird maßgeblich durch ein skalenübergreifendes interkonnektierendes Porensystem, d.h. mittels durchgängig vernetzter Hohlräume definierter Größe in den Fasern, ermöglicht. Die Entwicklungsarbeiten sind auf CF mit skalierbaren Eigenschaften (Strukturmechanik und Energiespeichervermögen) fokussiert.

Dabei werden zwei Forschungsschwerpunkte verfolgt: (1) PAN-basierte CF mit gleichbleibenden strukturmechanischen Eigenschaften und mindestens Verdopplung des Energiespeichervermögens (Energiedichte), insbesondere auf Basis von PAN-Precursoren für tragende Leichtbaukonstruktionen und (2) CF für Batterieanwendungen bei mindestens Vervierfachung der Energiespeichervermögens auf Basis von Lignin-Precursoren. Bei beiden Forschungsschwerpunkten sollen Energiespeichersysteme auf Basis von flexiblen Doppelschichtkondensatoren (EDLC) mit schneller Energiespeicherung und Lithium-Schwefel-Batterien (LiS) mit hohe Energiedichte Anwendung finden. Neben den derzeitig kommerziell verfügbaren Lithium-Ionenbatterien werden Lithium-Schwefel-Batterien als Batteriesystem der nächsten Generation angesehen. Bisher gibt es noch keine kommerziell erhältlichen Lithium-Schwefel-Batterie-Zellen, sondern lediglich Prototypzellen, die Leitruße einsetzen, welche auf Stromkollektoren ausgebracht werden müssen.

Für neuartige Hochleistungselektroden, wie sie in zukünftigen Li/S-Batterien oder Supercaps benötigt werden, müssen spezifische Porengrößen und -verteilungen (LiS: Mikro <2 nm, Meso 2-50 nm, Makro >50 nm ; Supercap: Mikro <2-5 nm, Meso 40-60 nm), sowie eine spezifische Oberfläche (LiS: 2000-3000 m²/g, Supercap: 2000 m²/g) realisiert werden. Ein bedeutender Vorteil bei der erweiterten Energiespeicherung besteht darin, dass hierbei die mechanischen Eigenschaften der konventionellen Kohlenstofffasern nicht beeinträchtigt werden und die Kohlenstofffasern sowohl als Aktivmaterial als auch als Stromableiter fungieren.